專利名稱：一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于橋梁健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種多種緑色能源供給，無需額外電源的無線網(wǎng)絡(luò)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)50年代以來，隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，而在橋梁的使用中，由于受到自然環(huán)境和人為的ー些損害，ー些橋梁坍塌事故的不斷發(fā)生，橋梁健康監(jiān)測的重要性逐漸被認(rèn)識，使用橋梁健康監(jiān)測技木，觀測和分析橋梁的各種結(jié)構(gòu)狀況，當(dāng)橋梁處于危險狀況時發(fā)布預(yù)警信號，以保證橋梁的正常運(yùn)行，這對橋梁的維護(hù)、管理都具有非常重要的意義。而基于現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，在橋梁健康監(jiān)測方面也有了相應(yīng)的應(yīng)用。目前已經(jīng)有一些橋梁健康監(jiān)測無線數(shù)據(jù)采集的技術(shù)，如申請?zhí)枮?00720140648. 4的專利中所述，該專利是采用內(nèi)置電池或外置人為監(jiān)控充電供給電源，雙CPU處理數(shù)據(jù)模式的橋梁檢測無線數(shù)據(jù)采集裝置，這些裝置存在以下缺點(diǎn)1、采用電池或者単一的電源為系統(tǒng)供電，能量采集和轉(zhuǎn)換效率低；2、雙CPU和雙通訊模塊，増加了系統(tǒng)的功耗；3、采用的傳感器為模擬量傳感器，信號需要經(jīng)過濾波和放大、摸/數(shù)轉(zhuǎn)換，這大大降低了數(shù)據(jù)采集的精確性和時滯性，并且增加了系統(tǒng)的能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，它采用多種綠色能源供給，能量利用效率高、裝置結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)采集精確度高、信息傳輸效率高，克服了現(xiàn)有提出的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)中存在的需要外部電源、供電電源単一、功耗較大的不足。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案ー種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，它包括電源收集和管理模塊、傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、無線路由節(jié)點(diǎn)、報警模塊；電源收集和管理模塊與微處理器模塊、無線通信模塊連接，并為它們提供電能；傳感器模塊中具有數(shù)字式無源傳感器和模擬量傳感器，數(shù)字式無源傳感器與微處理器模塊直接相連，模擬量傳感器經(jīng)過信號調(diào)理電路再與微處理器模塊連接，微處理器模塊與無線通信模塊連接，無線通信模塊通過無線電將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線路由節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)而發(fā)送至中央監(jiān)控室。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進(jìn)ー步的技術(shù)方案電源收集和管理模塊中包括電能收集模塊、電源管理芯片、超級電容；電能收集模塊包括振動能模塊、風(fēng)能模塊、太陽能模塊；電能收集模塊通過振動能模塊、風(fēng)能模塊和太陽能模塊分別收集橋體的振動能、風(fēng)能和太陽能，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用電壓等級，電能收集模塊連接電源管理芯片，電源管理芯片連接超級電容，超級電容連接微處理器模塊和無線通訊模塊為其供電。在超級電容輸出電壓同時連接至微處理器模塊的電壓監(jiān)測引腳，微處理器模塊會依據(jù)采集到的超級電容輸出的電壓，采用模糊智能算法管理自身的“運(yùn)行”和“休眠”時間，實(shí)現(xiàn)微處理器模塊“運(yùn)行”和“休眠”交替的工作模式。所述的傳感器模塊中的多個傳感器可同時連接至ー個微處理器模塊。微處理器模塊連接報警模塊，當(dāng)不同的監(jiān)測值超出預(yù)定警戒值時，報警模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報警，同時通過網(wǎng)絡(luò)將報警信息傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，在中央監(jiān)控室監(jiān)控界面發(fā)出相應(yīng)的報警信號。無線通信模塊采用3G模塊，無線通信模塊和無線路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)。所述無源傳感器模塊包括對橋梁的荷載、表面形貌、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行測量的無源傳感器。無源傳感器不需要額外電源的供電，從而節(jié)省了大量的能耗。同時傳感器模塊中有數(shù)字量無源傳感器和模擬量無源傳感器。對部分參數(shù)的測量采用模擬量無源傳感器，模擬量無源傳感器通過相應(yīng)的信號調(diào)理電路接連至微處理器模塊，對部分參數(shù)的測量采用數(shù)字量無源傳感器，無需中間的信號調(diào)理電路，直接連接至微處理器模塊。從而減少了中間的電路，減少了干擾，使整個裝置更加穩(wěn)定可靠。所述微處理器模塊負(fù)責(zé)對傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲、設(shè)定警戒值，當(dāng)監(jiān)測值超出設(shè)定警戒值時報警模塊就發(fā)出相應(yīng)的現(xiàn)場報警信號和監(jiān)控室報警信號。微處理器模塊將處理過的信息與數(shù)據(jù)傳輸至無線通信模塊。同時微處理器模塊負(fù)責(zé)電源的管理，實(shí)時地檢測超級電容器所存儲的電量與所輸出的電壓，并調(diào)節(jié)微處理器模塊的“運(yùn)行”與“休眠”時間，使電能的供應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)。所述無線通訊模塊和微處理器模塊相連接，由傳感器采集并經(jīng)微處理器模塊處理后的數(shù)據(jù)，通過無線通訊模塊實(shí)時地發(fā)送到無線路由節(jié)點(diǎn)。所述無線路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)和多個無線通訊模塊進(jìn)行組網(wǎng)，組織成星形無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，接收來自橋梁不同位置的不同數(shù)據(jù)監(jiān)測信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控室。本發(fā)明的有益效果是，可以在多種能源轉(zhuǎn)化為電能供給的基礎(chǔ)上，無需額外的電源供應(yīng)，可以極大地降低運(yùn)行和維護(hù)成本，并可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更加精確實(shí)時地實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀況的監(jiān)測。


圖1本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明電源管理部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3本發(fā)明的振動能模塊安裝示意圖(跨中截面)。圖4本發(fā)明的太陽能模塊與風(fēng)能模塊安裝示意圖。
圖5本發(fā)明的時間短(ST)、時間中(MT)、時間長(LT)隸屬函數(shù)分布圖 圖6本發(fā)明的短(S)、中等(M)、長(L)隸屬函數(shù)分布圖
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括電源收集和管理模塊15、傳感器模塊1、微處理器模塊6、無線通信模塊7、無線路由節(jié)點(diǎn)8、報警模塊5、電源收集和管理模塊15與微處理器模塊6、無線通信模塊7連接，并為它們提供電能；傳感器模塊I中具有數(shù)字式無源傳感器2和模擬量傳感器3，數(shù)字式無源傳感器2與微處理器模塊6直接相連，模擬量傳感器3經(jīng)過信號調(diào)理電路4再與微處理器模塊6連接，微處理器模塊6與無線通信模塊7連接，無線通信模塊7通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線路由節(jié)點(diǎn)8，并進(jìn)而發(fā)送至中央監(jiān)控室。
傳感器模塊I采集橋梁的荷載、表面形貌、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等參數(shù)，并將參數(shù)傳輸至微處理器模塊6，微處理器模塊6對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲、設(shè)定警戒值，當(dāng)檢測值超出設(shè)定警戒值時報警模塊5發(fā)出現(xiàn)場報警信號，同時通過網(wǎng)絡(luò)將報警信息傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，在中央監(jiān)控室監(jiān)控界面發(fā)出相應(yīng)的報警信號。電源收集和管理模塊收集橋體的振動能、風(fēng)能、太陽能。電源收集和管理模塊15中包括電能收集模塊11、電源管理芯片10、超級電容9。電能收集模塊11包括振動能模塊12、風(fēng)能模塊13、太陽能模塊14。電能收集模塊11通過振動能模塊12、風(fēng)能模塊13和太陽能模塊14分別收集橋體的振動能、風(fēng)能和太陽能，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)也即本裝置可用電壓等級，電能收集模塊11連接電源管理芯片10，電源管理芯片10連接超級電容9，超級電容9連接微處理器模塊6和無線通訊模塊7并為其供電。如圖3和圖4所示，電能收集模塊11中的風(fēng)能模塊13和太陽能模塊14根據(jù)相關(guān)規(guī)定安裝在橋梁的最佳位置，振動能模塊12安裝于橋梁的振動幅度較大的地方。由于橋梁本身的振動，振動能模塊12中的振動條就會有電壓輸出，太陽能、風(fēng)能、振動能輸出的電能通過整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓芯片連接至電源管理芯片LTC358810，由電源管理芯片LTC358810連接超級電容9，并對超級電容器9的充放電進(jìn)行管理。進(jìn)而由超級電容9為微處理器模塊6、無線通信模塊7提供電能，同時實(shí)現(xiàn)微處理器模塊6 “運(yùn)行”和“休眠”交替的工作模式。將超級電容9的輸出電壓連接至微處理器模塊6的電壓檢測引腳，實(shí)時檢測超級電容9的輸出電壓。利用模糊智能算法管理微處理器模塊6的“運(yùn)行”與“休眠”時間。由于采用的微處理器模塊6、無線通信模塊7的供應(yīng)電壓V都是3. 3V，當(dāng)檢測到超級電容9的電壓V處于2. 5V 3. 3V的時候,微處理器模塊6處于“運(yùn)行”狀態(tài)，當(dāng)電壓V低于
2.5V的時候，微處理器模塊6處于“休眠”狀態(tài)，超級電容9進(jìn)行充電，在此期間記錄電壓V從3. 3V降至2. 5V的時間T，由智能模糊算法根據(jù)時間T確定微處理器模塊6的休眠時間t，采用的智能模糊算法具體如下1、確定輸入、輸出的量的模糊分布對T的模糊子集選取三角形隸屬函數(shù)I)、選定三個模糊子集時間短(ST)、時間中(MT)、時間長(LT)，用于涵蓋輸入量X的論域
，它們的隸屬函數(shù)如下，其分布如圖5所示ST (X) = (50-x) /50 0 ≤ x ≤ 50
權(quán)利要求
1.一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于它包括電源收集和管理模塊(15)、傳感器模塊(I)、微處理器模塊(6)、無線通信模塊(7)、無線路由節(jié)點(diǎn)(8)、報警模塊(5);電源收集和管理模塊(15)與微處理器模塊(6)、無線通信模塊(7)連接，并為它們提供電能；傳感器模塊(I)中具有數(shù)字式無源傳感器(2)和模擬量無源傳感器(3)，數(shù)字式無源傳感器(2)與微處理器模塊(6)直接相連，模擬量無源傳感器(3)經(jīng)過信號調(diào)理電路(4)再與微處理器模塊(6)連接，微處理器模塊(6)與無線通信模塊(7)連接，無線通信模塊(7)通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線路由節(jié)點(diǎn)(8)，并進(jìn)而發(fā)送至中央監(jiān)控室。
2.按權(quán)利要求1中所述的一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于電源收集和管理模塊(15)中包括電能收集模塊(11)、電源管理芯片(10)、超級電容(9);電能收集模塊(11)包括振動能模塊(12)、風(fēng)能模塊(13)、太陽能模塊(14);電能收集模塊(11)通過振動能模塊(12)、風(fēng)能模塊(13)和太陽能模塊(14)分別收集橋體的振動能、風(fēng)能和太陽能，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用電壓等級，電能收集模塊(11)連接電源管理芯片(10)，電源管理芯片(10)連接超級電容(9)，超級電容(9)連接微處理器模塊(6)和無線通訊模塊(7)為其供電。
3.按權(quán)利要求1中所述的一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于在超級電容(9)輸出電壓同時連接至微處理器模塊(6)的電壓監(jiān)測引腳，微處理器模塊(6)會依據(jù)采集到的超級電容輸出的電壓，采用模糊智能算法管理自身的“運(yùn)行”和“休眠”時間，實(shí)現(xiàn)微處理器模塊(6) “運(yùn)行”和“休眠”交替的工作模式。
4.按權(quán)利要求1中所述的一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于所述的傳感器模塊中的多個傳感器同時連接至一個微處理器模塊(6)。
5.按權(quán)利要求1中所述的一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于微處理器模塊(6)連接報警模塊(5)，當(dāng)不同的監(jiān)測值超出預(yù)定警戒值時，報警模塊(5)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報警，同時通過網(wǎng)絡(luò)將報警信息傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，在中央監(jiān)控室監(jiān)控界面發(fā)出相應(yīng)的報警信號。
6.按權(quán)利要求1中所述的一種多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置，其特征在于無線通信模塊(7)采用3G模塊，無線通信模塊(7)和無線路由節(jié)點(diǎn)(8)自組網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了多能源供給的無線橋梁健康監(jiān)測裝置。它包括電源收集和管理模塊、傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、無線路由節(jié)點(diǎn)、報警模塊；電源收集和管理模塊與微處理器模塊、無線通信模塊連接，并為它們提供電能；傳感器模塊中的數(shù)字式無源傳感器與微處理器模塊直接相連，模擬量無源傳感器經(jīng)過信號調(diào)理電路再與微處理器模塊連接，微處理器模塊與無線通信模塊連接，無線通信模塊通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線路由節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)而發(fā)送至中央監(jiān)控室。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境中多種綠色能源的收集利用，無需額外的電源供應(yīng)，是一種能量利用效率高、裝置結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)采集精確度高、信息傳輸效率高的無線橋梁健康監(jiān)測裝置。
文檔編號G01D21/02GK103017825SQ201210516060
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者楊秦敏, 劉寧, 盧建剛, 孫優(yōu)賢, 鄧毅, 陳積明 申請人:浙江大學(xué)